北京地铁10号线列车控制及监控系统改造升级.pdf

第5期2 0 2 3年9月N o.5S e p t.2 0 2 3研究开发文章编号:2 0 9 7-0 3 6 6(2 0 2 3)0 5-0 0 2 5-0 5 北京地铁1 0号线列车控制及监控系统改造升级李 悦,王军涛(北京地铁运营有限公司运营三分公司,北京 1 0 0 0 8 9)摘 要:针对北京地铁1 0号线列车控制及监控系统存在故障响应周期长、替换备件价格高等问题,提出改造方案,减少对进口设备和备件的依赖,降低替换备件的价格,从而降低车辆运营成本。提高国内企业在列车控制及监控系统领域的技术掌握程度,降低对外依赖,提高自主创新能力。设计了MV B总线的国产化方案,通过该总线实现列车网络通信。MV B总线的电气接口为电介质距离(EMD),传输速率为1.5 M b i t/s。在保证原车接口基本一致的情况下,开展了定制化设计,其主要优势为具有V C U冗余功能、R I OM关键点采集冗余功能、根据运营人员需求进行功能优化、车地无线传输装置、使用MV B线路增加稳定性、中继器冗余设计、车地无线和T CM S一体化。关键词:北京地铁;列车控制及监控系统;冗余策略;国产化方案中图分类号:U 2 3 1 文献标志码:B d o i:1 0.3 9 6 9/j.i s s n.2 0 9 7-0 3 6 6.2 0 2 3.0 5.0 0 5R e c o n s t r u c t i o n a n d U p g r a d i n g o f T r a i n C o n t r o l a n d M o n i t o r i n g S y s t e m o f B e i j i n g S u b w a y L i n e 1 0L I Y u e,WANG J u n t a o(T h i r d O p e r a t i o n B r a n c h,B e i j i n g S u b w a y C o.,L t d.,B e i j i n g 1 0 0 0 8 9,C h i n a)A b s t r a c t:I n v i e w o f t h e p r o b l e m s o f l o n g f a u l t r e s p o n s e p e r i o d a n d h i g h p r i c e o f r e p l a c e m e n t s p a r e p a r t s i n t h e t r a i n c o n t r o l a n d m o n i t o r i n g s y s t e m o f B e i j i n g S u b w a y L i n e 1 0,t h i s p a p e r p u t s f o r w a r d a r e c o n s t r u c t i o n s c h e m e t o r e d u c e t h e d e p e n d e n c e o n i m p o r t e d e q u i p m e n t a n d s p a r e p a r t s a n d l o w e r t h e p r i c e o f r e p l a c e m e n t s p a r e p a r t s,t h u s c u t t i n g t h e v e h i c l e o p e r a t i n g c o s t.I n o r d e r t o i m p r o v e t h e t e c h n i c a l m a s t e r y o f d o m e s t i c e n t e r p r i s e s i n t h e f i e l d o f t r a i n c o n t r o l a n d m o n i t o r i n g s y s t e m,r e d u c e e x t e r n a l d e p e n d e n c e a n d e n h a n c e i n d e p e n d e n t i n n o v a t i o n c a p a b i l i t y,t h e l o c a l i z a t i o n s c h e m e o f MV B b u s i s d e s i g n e d,a n d t h e t r a i n n e t w o r k c o mm u n i c a t i o n i s r e a l i z e d t h r o u g h t h i s b u s.T h e MV B b u s u s e s t h e E l e c t r i c a l M i d d l e D i s t a n c e(EMD)i n t e r f a c e a s t h e t r a n s m i s s i o n m e d i u m,a n d t h e t r a n s m i s s i o n r a t e c a n r e a c h 1.5 M b i t/s.B a s e d o n t h e b a s i c c o n s i s t e n c y o f t h e o r i g i n a l v e h i c l e i n t e r f a c e,t h e c u s t o m i z e d d e s i g n i s c a r r i e d o u t,a n d i t s m a i n a d v a n t a g e s a r e V C U r e d u n d a n c y f u n c t i o n,R I OM k e y p o i n t a c q u i s i t i o n r e d u n d a n c y f u n c t i o n,f u n c t i o n o p t i m i z a t i o n a c c o r d i n g t o t h e n e e d s o f o p e r a t o r s,v e h i c l e-g r o u n d w i r e l e s s t r a n s m i s s i o n d e v i c e,a d o p t i o n o f MV B l i n e t o i n c r e a s e s t a b i l i t y,r e p e a t e r r e d u n d a n c y d e s i g n a n d v e h i c l e-g r o u n d w i r e l e s s a n d T CM S i n t e g r a t i o n.K e y w o r d s:B e i j i n g s u b w a y;t r a i n c o n t r o l a n d m o n i t o r i n g s y s t e m;r e d u n d a n c y s t r a t e g y;l o c a l i z a t i o n s c h e m e收稿日期:2 0 2 2-1 2-0 5第一作者:李 悦(1 9 7 9),男,工程师。北京地铁1 0号线原车采用东洋网络系统,由于网络系统等核心部件为进口产品,厂家在故障处理响应、备品备件供应等方面会存在故障响应周期长、替换备件价格高等问题。为提高车辆的可用性,降低网络系统故障率,减少车辆运营成本,结合用户的迫切需求,北京地铁1 0号线车辆的网络系统需进行国产化替代。国产化方案可根据原车实际情况,提出详细的国产化改造方案、生产国产化替代产品及可实施的车辆改装方案,并根据用户需求,对原车系统中存在的问题进行优化改进,提供更好的售后服务,从而满足运营第6 0卷第5期2 0 2 3年9月要求。本文对原车网络系统深入研究,借鉴已有装车项目的成熟经验,以对原车改动最小为原则,同步推进车联网智能远程运维系统落地北京地铁1 0号线,遂提出该一体化解决方案。1 国产化方案对比1.1 原车拓扑图图1为原车网络系统拓扑图。图1 原车网络系统网络拓扑 网络控制系统是用来传送牵引及制动控制等与车辆运行有关的信号的传送系统。网络监控系统采用4 8 5总线传送方式收集所连接的空调、车门等系统的状态信息,传送速度为1.5 MB i t/s。监控传送系统的传送回路为一重系,通过在2个头车部分设置监控装置实现冗余化。系统通过R S 4 8 5串联通信方式实现与其他子系统之间的信息交换。与S I V装置、VVV F装置、制动装置、门装置、空调装置以R S 4 8 5(HD L C)连接,与P I D S、ATO、显示控制器以R S 4 8 5连接。系统也具有一定的缺陷:此网络控制系统为了达到冗余化,分别在头车和尾车各放置1台C C U设备,分别称之为一系(运作系)及二系(待机系),构成二重系统。如果运作系与待机系都发生异常(两重故障)时将不能进行网络控制,这时会把司机提示灯(网络控制异常)点亮,并向VVV F装置及制动控制装置等输出网络控制异常信号。R S 4 8 5通讯线在使用连接过程中出现问题,将会导致该线路的设备通讯异常,导致线路没有冗余功能。1.2 国产化方案北京地铁1 0号线的国产化方案网络拓扑如图2所示。北京1 0号线列车国产化网络系统使用达到I E C 6 1 3 7 5-3-1标准的多功能车辆总线(MV B)进行组建列车 通 信 网 络,该 总 线 的 电 气 接 口 为 电 介 质 距 离(EMD),介质传输速率为1.5 M b i t/s。列车和车辆总线应 符 合I E C 6 1 3 7 5-3-1:2 0 1 2 多 功 能 车 辆 总 线(MV B)标准,列车控制和监控系统的硬件应符合E N 5 0 1 5 5:2 0 0 7 铁道车辆使用的电子设备 标准。列车总线与车辆总线均采用MV B总线,总线采用冗余设计,保证数据传输的可靠性。列车通信网络通过MV B接口与各子系统连接,实现对各子系统数据的控制、监视及自动诊断等功能。在保证原车通讯接口不变的前提下,通过配置R S 4 8 5转MV B模块,实现原车通讯设备接入国产化方案MV B总线网络。在国产化方案中头尾车部分各配置了1个中央控制单元(V C U),2台设备相互热备。正常运行工况下,T c 1端的C C U负责实现对车辆的控制、状态监视和故障诊断。当T c 1端V C U故障时,T c 2端V C U自动接62北京地铁1 0号线列车控制及监控系统改造升级 李 悦,王军涛管故障V C U的所有功能,列车正常运行且不受任何影响。北京地铁1 0号线每列车由2个具有相同硬件的中央控制单元(V C U)组成,具有相同的功能。因此,它们在工程实现中应具有相同的配置,包括相同的应用程序级过程数据源端口和宿端口配置。同时,2个设备之间有一对独立的端口,作为它们之间的生命信号。在实际应用中,每个设备定义2个配置文件,其中一个正常定义,另一个将所有应用程序级源端口定义为宿端口。图2 国产化网络系统拓扑 热备冗余的实现方法和冗余切换步骤如下:(1)起初这2个设备都被定义为应用从设备,根据采样的背板信号值或设定值,开始时确定哪个设备是应用主设备。主设备采用配置文件1,执行控制功能;从设备采用配置文件2,执行监控功能。为了便于描述,V C U 1在开始时定义为主设备,V C U 2在开始时定义为从设备。(2)当 主 设 备(V C U 1)发 生 故 障 时,从 设 备(V C U 2)根据生命信号判断主设备发生故障。从设备(V C U 2)自动更新配置文件,采用配置文件1,并接管主设备的控制功能,V C U 2成为新的主设备。同时,它向V C U 1发送命令,将V C U 1切换为从设备(该命令一直发送,直到V C U 1的状态变为从设备)。从设备切换到主设备所花费的时间是检测生命信号的超时时间加上重新加载配置文件的时间,此时间约为5 s。(3)当V C U 1从故障状态(包括复位)恢复正常时,在接收到V C U 2发送的切换命令后,V C U 1再次下载配置文件,采用配置文件2,V C U 1成为从设备,并将V C U 1的状态信号发送给V C U 2。此后,V C U 1是从设备,V C U 2是主设备。(4)如果V C U 2也出现故障,则采用与上述类似的切换方法来实现冗余切换。如果故障设备不是主设备,则不会发生冗余切换,但可以发送相应的报警信号。如 果 列 车 主 控 制 单 元V C U 1发 生 故 障,冗 余V C U 2将接管列车主控制单元V C U 1的工作。每个车厢均配置1台远程输入输出单元(R I OM)模块通过MV B接口和车辆总线连接,负责车辆硬线信号的采集和控制。司控器级位、牵引制动及方向指令等特殊信号进行I O冗余采集,以满足列车行车安全性及可靠性的要求。在国产化方案中头尾车各配置了1台人机接口单元(HM I),其界面尽可能与原车保持一致,保证司机的操作习惯。同时在原车显示屏界面的基础上根据运营人员的痛点进行了定制化开发,满足了运营人员的使用需求。2 国产化方案优势国产化方案从可靠性、可维护性、可用性角度进行72第6 0卷第5期2 0 2 3年9月设计,尽量保持设备的可操作性与原车一致,同时根据运营需求进行方案优化。(1)T c 1车和T c 2车各有1台无线传输装置,该设备通过MV B接口连接列车级总线MV B,从MV B总线接收列车当前实时状态数据及故障数据,负责实现对整车入网设备的故障信息和运行状态的采集和记录,然后通过移动设备测试单元P TU将记录数据提取和打印。另外,该设备作为车联网智能远程运维系统中车载设备的一部分,使用以太网线缆连接车载无线机箱,车载无线机箱从馈线连接车顶天线,将实时的正线数据和状态数据、故障数据同步上传至终端。(2)MV B的A通道和B通道传输发送相同的数据,但线路上各个子系统根据自己配置的端口,接收总线上的数据。例如目前信任的A通道,监视对比B通道。图3为MV B线路冗余示意图,此刻通道A出现故障,线路切换为B通道为当前信任路。各个子系统会判断后接收B通道的数据。所以当A通道故障时,列车网络通信正常,系统的性能不受影响。当通道B故障时,信任线为通道A,不发生变化,列车网络通信仍然正常。该冗余设计可以防止引脚接点、传输线、收发器的错误和连接器故障、连接不牢靠等引起的MV B通讯故障。(3)网路和车载系统一体化解决方案的优势图3 MV B线路冗余示意图 网络系统和车联网智能远程运维系统分别在业内有一定影响力,市场占有率高,一体化解决方案属于强强联合;系统间接口协议统一,可以提高软件开发效率,缩短施工周期,便于项目整体资源的协调和管理;国产化设备较原车进口部件,设备成本可控,维护性强,技术支持和售后服务响应迅速;满足用户对系统功能的改造需求,可与用户建立“研-产-用”一体化的合作共赢模式;通过大数据应用,包括数据集成、存储、建模、训练和机器学习等,实现故障预测与健康管理,提高用车率,增加附加值。(4)图4为中继器冗余示意图,国产化中继器具备冗余功能可以避免中继器故障对整个T CM S的通信性能影响,每个中继器包含2个互为冗余且独立供电的中继器模块。当其中一个中继器模块故障时,另一个中继器模块仍能对原有的A通道和B通道信号进行中继放大传输,不影响各子系统对信号的接收。(5)国产化功能优化车辆需要优化的功能见表1。北京1 0号线国产化网络从去年1 0月份运营至今已近平稳运行1 0个月,运营期间效果良好,各设备的故障统计如表2所示。平均故障间隔时间计算如下,厂修车:MT B F=TN=7 6 4 7 51=7 6 4 7 5;既 有 车 型:MT B F=TN=3 9 4 2 0 01 0=3 9 4 2 0。T为运行时间,N为故障次数。从数据指标上看改造后的厂修车,运行稳定性较既有车型更有优势,可以保证列车安全运行。图4 中继器冗余82北京地铁1 0号线列车控制及监控系统改造升级 李 悦,王军涛表1 列车需要优化的功能详细列车需要优化的功能1 0号线原车厂修车信号模式下保 持制动施加优化列车正线A T O模式下运行,司机需要每次到站停稳后需拉动司控器手柄,防止列车溜车新的设计方案可以彻底解放司机正线的操作,不需要每次列车停稳之后拉制动级位,防止列车后溜非信号模式下 的离站距离列车数据没有采用多样化,只要信号系统不发送,马上就失去了显示离站距离的能力厂修车之后,不再只依赖信号系统发送的数据,网络也参与其中,可以在信号系统系统故障或者非A T O模式下进行距离计算。列车速度显示原车采用的4车制动发送的列车速度进行处理发送到MM I上显示当前列车运行的速度厂修车可以避免只有1个设备离线就造成MM I上显示的速度为0的情况。比之前的显示更加智能。表2 设备故障统计北京地铁1 0号线数据单位列车数1 2 列编组数6辆每辆车每年的运行里程1 0 0 0 0 0k m每列车平均每天运行时间1 5h每年运行天数2 3 4天平均旅行速度6 0k m/h3 结束语北京地铁1 0号线网络系统国产化方案从系统可靠性、可用性和可维护性等3个方面进行设计,从实际运营角度定制化开发,其主要优势如下:经济性上:降低原车大修的成本与费用,同时国产化的响应速度快。可靠性上:国产化之后的硬件设备相比较之前,硬件功能更加稳定故障率也低。维护性上:国产化可以弥补原车存在的遗留问题。更加优化厂修车的性能,还可以根据需求进行功能上的定制。参考文献:1 高杰,李文正.新型轨道车辆网络控制系统设计与应用J.铁道机车车辆,2 0 1 9,3 9(1):1 1 8-1 2 2.GAO J i e,L I W e n z h e n g.D e s i g n a n d a p p l i c a t i o n o f n e w t y p e t r a i n n e t w o r k c o n t r o l s y s t e m f o r r a i l v e h i c l e sJ.R a i l w a y L o c o m o t i v e&C a r,2 0 1 9,3 9(1):1 1 8-1 2 2.2 任宝兵.城轨车辆中央控制单元设计D.大连:大连理工大学,2 0 1 4.3 高鹏飞,张安.北京地铁8号线地铁车辆电气系统J.铁道车辆,2 0 1 2,5 0(8):2 2-2 6,4 8.GAO P e n g f e i,Z HANG A n.T h e e l e c t r i c a l s y s t e m o n m e t r o v e h i-c l e s f o r B e i j i n g m e t r o n o.8 l i n eJ.R o l l i n g S t o c k,2 0 1 2,5 0(8):2 2-2 6,4 8.4 翟国锐,徐燕芬,代军峰,等.全自动无人驾驶城轨车辆列车网络控制系统研究J.铁道车辆,2 0 2 1,5 9(3):1 7-2 0.Z HA I G u o r u i,XU Y a n f e n,D A I J u n f e n g,e t a l.R e s e a r c h o n t r a i n n e t w o r k c o n t r o l s y s t e m f o r f u l l y a u t o m a t i c d r i v e r l e s s u r b a n r a i l v e h i c l e sJ.R o l l i n g S t o c k,2 0 2 1,5 9(3):1 7-2 0.5 于冰.基于C AN o p e n的轻轨车网络控制系统研究D.大连:大连理工大学,2 0 1 7.6 谢谦.城市轨道交通车辆状态实时监测与分析系统研发应用J.铁道机车车辆,2 0 1 9,3 9(4):1 1 6-1 1 9.X I E Q i a n.R e s e a r c h a n d a p p l i c a t i o n o f r e a l t i m e m o n i t o r i n g a n d a-n a l y s i s s y s t e m f o r u r b a n r a i l t r a n s i t v e h i c l eJ.R a i l w a y L o c o m o-t i v e&C a r,2 0 1 9,3 9(4):1 1 6-1 1 9.7 田雅华.一种新型4M 2 T地铁车辆网络控制系统的研制J.铁道机车与动车,2 0 1 6(4):1-6,1 2.T I AN Y a h u a.R e s e a r c h o f a n e w v e h i c l e n e t w o r k c o n t r o l s y s t e m f o r 4 M 2 T m e t r o t r a i nJ.R a i l w a y L o c o m o t i v e a n d M o t o r C a r,2 0 1 6(4):1-6,1 2.8 赵媛媛,郑子彬,毕素楠,等.基于MV B总线的北京地铁八通线国产化网络系统适用性研究J.铁道车辆,2 0 2 1,5 9(5):5 7-6 0.Z HAO Y u a n y u a n,Z HE N G Z i b i n,B I S u n a n,e t a l.R e s e a r c h o n a p p l i c a b i l i t y o f t h e l o c a l i z e d n e t w o r k s y s t e m o f B e i j i n g s u b w a y b a-t o n g l i n e b a s e d o n MV B b u sJ.R o l l i n g S t o c k,2 0 2 1,5 9(5):5 7-6 0.9 曲晶.成都地铁4号线列车网络控制系统J.铁道机车与动车,2 0 1 7(7):2 6-2 8,3 9.QU J i n g.C h e n g d u m e t r o l i n e 4 t r a i n n e t w o r k c o n t r o l s y s t e mJ.R a i l w a y L o c o m o t i v e a n d M o t o r C a r,2 0 1 7(7):2 6-2 8,3 9.1 0 贺皓东.成都3号线电客车T CM S系统功能浅析及典型故障分析J.铁道机车车辆,2 0 1 8,3 8(5):1 1 7-1 2 2.HE H a o d o n g.F u n c t i o n a n a l y s i s o f T CM S s y s t e m a n d t y p i c a l f a i l u r e a n a l y s i s f o r m e t r o i n C h e n g d u l i n e 3J.R a i l w a y L o c o-m o t i v e&C a r,2 0 1 8,3 8(5):1 1 7-1 2 2.92